文|陳根

1911年，荷蘭物理學家昂內(nèi)斯（Onnes）首次發(fā)現(xiàn)了超導現(xiàn)象：當金屬汞被冷卻到4K以下時，它的電阻會突然消失。1957年，美國物理學家巴丁、庫珀和施里弗三人提出了BCS理論，對超導現(xiàn)象作出了理論解釋。

根據(jù)BCS理論，其能夠近似地給出金屬內(nèi)部具有吸引相互作用的電子系統(tǒng)的量子多體狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，它們被吸引相互作用束縛成庫珀對。庫珀對是一個重要的量子效應，當一個電子在導體中移動時，它會被其他電子排斥，但它也會吸引構(gòu)成金屬剛性晶格的正離子。

這種吸引力會使離子晶格發(fā)生扭曲，使離子輕微地向電子移動，從而增加晶格附近的正電荷密度。而這些正電荷則會吸引其他電子，長距離下，電子與陽離子的吸引力會克服電子間的排斥力而配對。

此前，研究人員對庫珀對的出現(xiàn)多是通過宏觀方式間接測量的，但近日，阿爾托大學和美國橡樹嶺國家實驗室的科學家們開發(fā)了一項新技術(shù)，可以以原子級的精度檢測庫珀對的出現(xiàn)。

當一個電子與另一個電子在金屬和超導體的交界處配對，它可以形成一個進入超導體的庫珀對，同時也將另一種粒子“踢回”金屬，這個過程被稱為安德烈夫反射。研究人員正是通過安德烈夫反射來檢測庫珀對。

實驗中，研究人員測量了一個原子尺度的金屬尖端和一個超導體之間的電流，檢測到返回超導體的安德烈夫反射量，同時保持與單個原子相當?shù)某上穹直媛?。通過確定庫珀對的波函數(shù)在原子尺度上的重建，理解了它們與原子尺度的雜質(zhì)和其他障礙物是如何相互作用的。

庫珀對在非常規(guī)超導體中具有獨特的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，到目前為止，理解這些結(jié)構(gòu)十分困難。但該方法在原子尺度上對庫珀對進行了直接實驗探測，為理解量子材料提供了一種全新的方法。

可以說，該方法代表著科學界對量子材料理解向前邁進了一大步，未來，期待該方法能夠推動新量子材料的開發(fā)。